星途 面试题库

在操作系统多线程同步场景中，常见的同步机制有互斥锁、信号量、条件变量。请详细阐述这三种同步机制的特点、适用场景，并举例说明在哪些情况下应优先选择其中某一种机制。

假设在一个多线程应用程序中，存在线程A、B、C，它们分别需要获取资源R1、R2、R3。线程A持有资源R1并请求R2，线程B持有资源R2并请求R3，线程C持有资源R3并请求R1，这种情况可能导致死锁。请描述死锁产生的四个必要条件，并给出至少两种预防死锁的方法，同时说明这些方法如何破坏死锁的必要条件。

在多核处理器环境下，为了提高多线程程序的性能，需要对并发与同步进行优化。请讨论如何在保证数据一致性的前提下，通过减少锁争用、采用无锁数据结构等方式来提升并发性能。请举例说明在实际项目中如何应用这些优化策略，并且分析它们可能带来的问题及解决方案。

请描述在生产者 - 消费者模型中，如何使用操作系统的条件变量来实现线程间的同步。请给出关键代码片段（可使用伪代码或你熟悉的编程语言），并解释条件变量的等待和唤醒机制在该模型中的作用。

假设存在一个复杂的多线程任务调度系统，其中有多个类型的任务（如I/O密集型、计算密集型），并且任务之间存在依赖关系。请阐述如何利用操作系统条件变量对任务调度进行优化，以提高整体系统的性能。说明你所设计的调度算法，并解释条件变量在其中如何处理任务的等待、唤醒以及优先级问题。

在分布式系统环境下，不同节点之间的线程同步面临网络延迟、节点故障等诸多挑战。如果要在这样的分布式系统中使用操作系统条件变量来实现类似单机环境下的线程同步功能，会遇到哪些主要问题？请提出至少两种针对这些问题的解决方案，并详细分析每种方案的优缺点及适用场景。

请描述在生产者 - 消费者模型中，信号量是如何实现并发控制与同步的？假设存在多个生产者和多个消费者，每个生产者每次生产一个数据项，消费者每次消费一个数据项，用伪代码展示如何使用信号量来协调它们之间的操作，并解释信号量的初值应该如何设置以及原因。

在经典的读者 - 写者问题中，读者可以同时读取数据，但写者需要独占访问数据。如果使用信号量解决此问题，在高并发场景下，可能会出现写者饥饿的情况。请提出一种基于信号量的优化方案来避免写者饥饿，并详细阐述方案原理，同时用代码（你熟悉的编程语言）实现该优化方案。

在一个分布式文件系统中，多个节点可能同时请求访问和修改元数据。假设采用信号量机制来进行并发控制与同步，由于网络延迟和节点故障等不确定性因素，会面临哪些挑战？如何设计一个基于信号量的健壮的分布式同步机制来应对这些挑战？请详细说明设计思路、信号量的管理方式以及故障恢复策略。

在一个多线程的程序中，有两个线程：线程A负责向共享缓冲区写入数据，线程B负责从共享缓冲区读取数据。请使用信号量和互斥锁这两种同步原语，设计一个方案来保证数据的正确读写，防止竞态条件。请描述你的设计思路，并给出关键代码片段（语言不限）。